现代通信技术与网络应用（第二版） 第6章 现代通信终端

第 2章 现代通信终端第 6章 现代通信终端 6.1 引言 6.2 GSM数字蜂窝移动通信网 6.3 CDMA数字蜂窝移动通信网 6.4 集群移动通信网 6.5 无线寻呼网 6.6 公用无绳电话网 6.7 卫星移动通信网 6.8 第三代移动通信 习题 第 2章 现代通信终端6.1 引 言蜂窝移动通信网的出现，是移动通信的一次革命。蜂窝移动通信网是针对早先常规大区制多信道移动电话系统服务容量小、服务性能差、频谱利用率低的不足而提出来的，其组成结构如图 6.1所示。它采用了两项有效措施：采用小区结构扩大覆盖区域，采用同频复用技术提高频率利用率，从而有效地解决了大覆盖、频道数有限与用户数量大的矛盾。第 2章 现代通信终端图 6.1 蜂窝移动通信网的组成 图 6.1 蜂窝移动通信网的组成 第 2章 现代通信终端一个基本的蜂窝系统包含移动台 (MS)、基站 (BS)和移动电话交换中心 (MSC)三个部分，以及连接这三个部分的链路。移动台是车载台、便携台和手持台的总称，其中以手持台最为普遍，移动台包括控制单元、收发信机和天线。基站分布在每个小区，负责本小区内移动用户与移动电话交换中心之间的连接，它包含控制单元、收发信机组、天馈系统、电源与数据终端等。移动电话交换中心是所有基站、所有移动用户的交换控制与管理中心，它还负责与本地电话网的连接、交换接续，以及对移动台的计费。基站与移动电话交换中心之间通过微波、同轴电缆或光缆相连，移动电话交换中心通过同轴电缆或光缆与市话网交换局相连。第 2章 现代通信终端蜂窝移动电话系统发展到今天，已进入了第三代。从以TACS、 AMPS为代表的第一代模拟蜂窝移动电话系统，到以 GSM、 CDMA为代表的第二代数字蜂窝移动通信系统，蜂窝移动通信系统在全世界范围内已获得了巨大的成功。目前，以 IMT-2000为核心的第三代蜂窝移动通信系统已日趋成熟，而兼容各种移动通信技术的第四代标准也正悄然来临。第 2章 现代通信终端1. 模拟蜂窝移动通信系统蜂窝移动电话系统是一项有很大发展前途的高科技产业，世界各国竞相开发出各自的蜂窝移动电话，造成多种体制共存的局面。具有代表性的模拟蜂窝移动通信系统有美国的 AMPS系统、英国的 TACS系统，还有北欧的 NMT系统。1983年 AMPS系统首先在美国投入商用，主要在北美使用；随后英国在此基础上进行修改而发展起来了 TACS系统，并在许多国家得到使用，我国的模拟蜂窝移动通信系统也采用了此制式。几种典型的模拟蜂窝移动通信系统如表 6.1所示。第 2章 现代通信终端第 2章 现代通信终端模拟蜂窝移动通信系统由于存在着频率利用率不够高，各种制式之间不兼容的缺点，而无法满足移动用户数激增的需求，现已逐渐被数字蜂窝移动通信系统所替代。第 2章 现代通信终端2. 数字蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信网从开始使用到现在不过 20年的时间，其发展速度之快十分惊人。可是，在一些经济发达的国家，却因为移动通信业务的激增使人们很早就预感到模拟蜂窝系统存在着许多不足： (1) 已有的模拟蜂窝系统制式混杂，不能实现国际漫游。(2) 模拟蜂窝网不能提供综合业务数字网 (ISDN)业务。通信网的发展趋势将实现向 ISDN过渡，随着非话业务的发展，综合业务数字网逐步投入使用，对移动通信领域的数字化要求愈来愈迫切。 (3) 模拟系统设备价格高，手机体积大，功耗大。第 2章 现代通信终端(4) 模拟系统网用户容量受到限制，在人口密度很大的城市系统扩容困难。(5) 模拟系统保密性不好。为了克服第一代蜂窝系统的局限性，以满足移动通信网发展的需要，北美、欧洲和日本自 20世纪 80年代中期起相继开始第二代即数字蜂窝系统的研究。同模拟系统相比，数字系统具有系统容量大，频率利用率高，通信质量好，业务种类多，便于与 ISDN、 PSTN、 PDN等网络互联，易于保密，便于集成，设备体积小、重量轻、耗电省、成本低等优点，是移动通信的发展趋势。目前，世界上已投入市场的数字蜂窝通信系统有以下几种：第 2章 现代通信终端1) 欧洲的 GSM系统由于欧洲各国模拟蜂窝通信系统体制的不统一，无法实现国与国之间的漫游通信，因此，欧洲各国最早开始数字移动通信系统的研究，使 GSM系统于 1991年率先投入商用。GSM系统不但能获得比模拟系统更高的通信容量，而且可以实现相邻国家之间的漫游通信。2) 北美的 ADC(也称 DAMPS)系统ADC系统的特点是数字和模拟兼容 (也叫双模式 )。用户利用一种双模式设备，既能在数字蜂窝网中通信，也能在模拟蜂窝网中通信。这样不仅能提高通信容量，而且有利于解决建立新设备和利用旧设备的矛盾。美国电子工业协会于1990年批准了双模式数字蜂窝系统的标准，简称 IS-54标准。第 2章 现代通信终端3) 日本的 JDC系统继欧洲的 GSM系统和北美的 ADC系统之后，日本于1989年提出了 JDC系统。 JDC系统的有些技术特征和 ADC相似，但它有自己的特点，也不是双模式。4) CDMA系统CDMA系统也是一种数字和模拟兼容的系统，由美国Qualcomm公司提出，并于 1993年被美国电子工业协会批准，定为 IS-95标准。 CDMA系统采用码分多址 (CDMA)技术，具有用户容量更大，抗干扰、保密性能好，通信质量好等优点，业已在许多国家投入使用。几种数字蜂窝移动通信系统的主要参数如表 6.2所示。下面重点介绍 GSM和 CDMA数字蜂窝系统。第 2章 现代通信终端第 2章 现代通信终端6.2 GSM数字蜂窝移动通信网欧洲各国为了建立全欧统一的数字蜂窝通信系统，在1982年成立了移动通信特别小组 (GSM)，提出了开发数字蜂窝通信系统的目标。 1986年，欧洲有关国家在进行大量研究、实验、现场测试、比较论证的基础上，于 1988年制定出GSM标准，并于 1991年率先投入商用，随后在整个欧洲、大洋洲以及其他许多的国家和地区得到了广泛普及，成为目前覆盖面最大、用户数最多的蜂窝移动通信系统。第 2章 现代通信终端GSM系统具有以下特点：(1) 具有开放的通用接口标准。现有的 GSM网络采用 7号信令作为互连标准，并采用与 ISDN用户网络接口一致的三层分层协议，这样易于与 PSTN、 ISDN等公共电信网实现互通，同时便于功能扩展和引入各种 ISDN业务。(2) 提供可靠的安全保护功能。在 GSM系统中，采用了多种安全手段来进行用户识别、鉴权与传输信息的加密，保护用户的权利和隐私。 GSM系统中的每个用户都有一张唯一的 SIM(客户识别模块 )卡，它是一张带微处理器的智能卡(IC卡 )，存储着用于认证的用户身份特征信息和与网络操作、安全管理以及保密相关的信息；移动台只有插入 SIM卡才能进行网络操作。第 2章 现代通信终端(3) 支持各种电信承载业务和补充业务，增值业务丰富。电信业务是 GSM的主要业务，它包括电话、传真、短消息、可视图文以及紧急呼叫等业务。由于 GSM中所传输的是数字信息，因此无需采用 Modem就能提供数据承载业务，这些数据业务包括 300 9600 b/s的电路交换异步数据、1200 9600 b/s的电路交换同步数据和 300 9600 b/s的分组交换异步数据。升级至 GPRS后更支持高达 171.2 kb/s的分组交换数据业务。(4) 具有跨系统、跨地区、跨国度的自动漫游能力。第 2章 现代通信终端(5) 容量大，频谱利用率高，抗衰落、抗干扰能力得到加强。与模拟移动系统相比，在相同频带宽度下其通信容量增大了 3 5倍，另外，由于在系统中使用了窄带调制、语言压缩编码等技术，频率可多次重复使用，从而提高了频率利用率，同时便于灵活组网。又因为在 GSM系统中采用了分集、交织、差错控制、跳频等技术，系统的抗衰落、抗干扰能力得到了加强。(6) 易于实现向第三代系统的平滑过渡。正是由于 GSM系统具有以上诸多优点，真正实现了个人移动性和终端移动性，因此在全球得到了广泛的应用，占据了全球移动通信市场 70%以上的份额。第 2章 现代通信终端6.2.1 系统组成GSM数字蜂窝通信系统的主要组成部分为网络子系统(NSS)、基站子系统 (BSS)和移动台 (MS)，如图 6.2所示。基站子系统 (BSS)由基站收发信机 (BTS)和基站控制器 (BSC)组成；网络子系统由移动交换中心 (MSC)、归属位置寄存器(HLR)、拜访位置寄存器 (VLR)、鉴权中心 (AUC)、设备识别寄存器 (EIR)、操作维护中心 (OMC)等组成。除此之外，GSM网中还配有短信息业务中心 (SC)，既可实现点对点的短信息业务，也可实现广播式的公共信息业务以及语音留言业务，从而提高网络接通率。第 2章 现代通信终端图 6.2 GSM蜂窝移动电话系统结构示意图 第 2章 现代通信终端1. 网络子系统 (NSS)网络子系统由一系列功能实体构成：1) 移动交换中心 (MSC)移动交换中心的主要功能是对位于本 MSC控制区域内的移动用户进行通信控制和管理。第 2章 现代通信终端移动交换中心 (MSC)是蜂窝通信网络的核心，它是用于对覆盖区域中的移动台进行控制和话音交换的功能实体，同时也为本系统连接别的 MSC和其他公用通信网络 (如公用交换电信网 PSTN、综合业务数字网 ISDN和公用数据网 PDN)提供链路接口。 MSC主要完成交换功能、计费功能、网络接口功能、无线资源管理与移动性能管理功能等，具体包括信道的管理和分配、呼叫的处理和控制、越区切换和漫游的控制、用户位置信息的登记与管理、用户号码和移动设备号码的登记和管理、服务类型的控制、对用户实施鉴权、保证用户在转移或漫游的过程中实现无间隙的服务等。第 2章 现代通信终端2) 归属位置寄存器 (HLR)这是 GSM系统的中央数据库，存储着该 HLR控制区内所有移动用户的管理信息。其中包括用户的注册信息和有关各用户当前所处位置的信息等。每一个用户都应在入网所在地的 HLR中登记注册。3) 拜访位置寄存器 (VLR)这是一个动态数据库，记录着当前进入其服务区内已登记的移动用户的相关信息，如用户号码、所处位置区域信息等。一旦移动用户离开该 VLR服务区而在另一个 VLR中重新登记时，该移动用户的相关信息即被删除。第 2章 现代通信终端4) 鉴权中心 (AUC)AUC存储着鉴权算法和加密密钥，在确定移动用户身份和对呼叫进行鉴权、加密处理时，提供所需的三个参数 (随机号码 RAND、符合响应 SRES、密钥 Kb)，用来防止无权用户接入系统和保证通过无线接口的移动用户的通信安全。5) 设备识别寄存器 (EIR)设备识别寄存器也是一个数据库，用于存储移动台的有关设备参数，主要完成对移动设备的识别、监视、闭锁等功能，以防止非法移动台的使用。目前，我国各移动运营商尚未启用 EIR设备。第 2章 现代通信终端6) 操作维护中心 (OMC)OMC用于对 GSM系统进行集中操作、维护与管理，允许远程集中操作、维护与管理，并支持高层网络管理中心(NMC)的接口。具体又包括无线操作维护中心 (OMC-R)和交换网络操作维护中心 (OMC-S)。 OMC通过 X.25接口对 BSS和NSS分别进行操作维护与管理，实现事件 /告警管理、故障管理、性能管理、安全管理和配置管理功能。第 2章 现代通信终端2. 基站子系统 (BSS)基站子系统包括基站收发信机组 (BTS)和基站控制器(BSC)。该子系统由 MSC控制，通过无线信道完成与 MS的通信，主要实现无线信号的收发以及无线资源管理等功能。1) 基站收发信机组 (BTS)基站收发信机组包括无线传输所需要的各种硬件和软件，如多部收发信机、支持各种小区结构 (如全向、扇形 )所需要的天线、连接基站控制器的接口电路以及收发信机本身所需要的检测和控制装置等。它实现对服务区的无线覆盖，并在 BSC的控制下提供足够的与 MS连接的无线信道。第 2章 现代通信终端2) 基站控制器 (BSC)基站控制器 (BSC)是基站收发信机组 (BTS)和移动交换中心之间的连接点，也为 BTS和操作维护中心 (OMC)之间交换信息提供接口。一个基站控制器通常控制多个 BTS，完成无线网络资源管理、小区配置数据管理、功率控制、呼叫和通信链路的建立和拆除、本控制区内移动台的越区切换控制等功能。第 2章 现代通信终端3. 移动台 (MS)移动台即便携台 (手机 )或车载台，它包括移动终端 (MT)和用户识别模块 (SIM卡 )两部分，其中移动终端可完成话音编码、信道编码、信息加密、信息调制和解调，以及信息发射和接收等功能， SIM卡则存有确认用户身份所需的认证信息以及与网络和用户有关的管理数据。只有插入 SIM卡后移动终端才能入网，同时 SIM卡上的数据存储器还可用作电话号码簿或支持手机银行、手机证券等 STK增值业务。第 2章 现代通信终端6.2.2 网络结构GSM移动通信网从逻辑上可以分为话路网和信令网两个子网。其中，话路网完成话路的接续和传输，信令网完成MAP信令、 TUP信令等路由选择和传输。我国移动通信网为按大区设立一级汇接中心、省内设立二级汇接中心、移动业务本地网设立端局的三级网络结构。第 2章 现代通信终端1. 移动话路网结构移动话路网由三级构成，即移动业务本地网、省内网和全国网。在各大区设置一级汇接中心，称为 TMSC1。目前，我国各主要省份的省会均设有 TMSC1，各一级汇接中心之间网状相连，实现省际话路的汇接，从而构成全国网。各省设两个或两个以上二级汇